Etude catalytique et cinétique de la méthanation du CO₂ en lit fixe et sous plasma micro-ondes

Catalytic and kinetic study of CO₂ methanation in a fixed bed and a plasma microwave reactor

• Auteur / Autrice : Bachar Alrafei
• Direction : Isabelle Polaert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de sécurité des procédés chimiques (Saint Etienne du Rouvray, Seine-Maritime ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Batiot-Dupeyrat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Polaert, Richard Guilet, Pascal Fongarland, Alain Ledoux, Pascal Boubert, Marianne Balat-Pichelin, Federico Azzolina Jury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Guilet, Pascal Fongarland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Plasmas microondes

Catalyseurs au nickel

Catalyseurs au cobalt

Power-to-gas

Applications industrielles

Méthane

Procédés chimiques

Mots clés libres

Méthanation

Process

Methanation

Catalyst

Nickel

Cobalt

Kinetic

Microwave plasma

Résumé

L’objet de cette thèse est la conception d’un procédé de méthanation du CO₂, s’inscrivant dans le cadre du concept Power-to-Gas (PtG), pour pouvoir stocker l’excès d’électricité produite à partir des sources renouvelables. Pour ceci, des catalyseurs performants à base de Ni et de Co ont été développés et caractérisés par plusieurs techniques. L’effet de la teneur en nickel, de la température de calcination et de l’ajout du cobalt a été examiné. Les caractérisations effectuées ont montré que la teneur en nickel et la température de calcination affecte la nature des espèces métalliques présentes à la surface du catalyseur, ainsi que la réductibilité de ces espèces. Il a été constaté que l’addition du cobalt résulte en un effet opposé sur la réductibilité et sur la dispersion du métal. Plusieurs tests catalytiques dans différentes conditions ont été conduits avec les catalyseurs préparés pour estimer leur activité et sélectivité en méthane. Un test de stabilité sur 200 h a été conduit avec les catalyseurs les plus pertinents. Ensuite, un modèle cinétique tenant compte des phénomènes thermiques dans le lit catalytique a été proposé et les paramètres ont été estimés. Enfin, un procédé d'hydrogénation du CO₂ sous plasma micro-ondes a été développé et l'effet synergique entre plasma et catalyseur a été étudié. Cette thèse constitue une étude multidisciplinaire de la méthanation du CO₂, démarrant avec le catalyseur, passant par le procédé et la modélisation, et finissant par la conception d’un procédé sous plasma micro-ondes.

The aim of this thesis is the development of a CO₂ methanation process, within the power to gas framework, in order to be able to store the excess of electrical energy produced from renewable sources. For this purpose, high-performance Ni and Co catalysts have been developed and characterized by several techniques. The effect of nickel content, calcination temperature and cobalt addition was examined. The characterizations carried out have shown that nickel content and calcination temperature affect the nature of metal species present on the catalyst surface, as well as the reducibility of these species. A contrasting effect on reducibility and dispersion was found after cobalt addition. A 200 hours deactivation test was conducted with the most relevant catalysts. Then, a kinetic model taking into account thermal phenomena in the catalytic bed was processed. Finally, a process for CO₂ hydrogenation under microwave plasma has been developed and the synergistic effect between plasma and catalyst has been studied. This thesis is a multidisciplinary study of CO₂ methanation, starting with the catalyst, going through the process and modelling, and ending with the design of a plasma process.